Appunti metabolismo - biochimica

Proteine fibrose

Le proteine fibrose trovano stabilizzazione finale in strutture che si sviluppano più in una direzione che in un'altra. Un esempio è la fibroina della seta, caratterizzata da amminoacidi con catene laterali poco ingombranti che favoriscono la formazione di foglietti β piuttosto che α eliche. Infatti, la presenza della glicina, erroneamente definita agente destabilizzante delle α eliche, porta alla tendenza della catena polipeptidica ad arrangiarsi in β foglietti piuttosto che in α eliche. Nella fibroina della seta ci sono ripetizioni di alanina e glicina che portano a stabilizzare foglietti β e ad impacchettarli, portando alla formazione di sovrastrutture come microfibre e fibre.

Un altro tipo di proteina fibrosa è il collagene, in cui la struttura primaria è caratterizzata da una glicina ogni tre amminoacidi e nella terna è presente una prolina o una idrossiprolina, rendendo impossibile la formazione delle α eliche. Si può generare una struttura elicoidale, molto rigida, detta pro α. La catena idrofobica della prolina consente l'inserimento di altre due catene simili, che portano poi alla formazione di una tripla elica, una struttura molto resistente che caratterizza il collagene, dotato di proprietà di resistenza alla trazione. Questa tripla elica è chiamata protofibra e l'unione di più triple eliche porta alla formazione di fibre.

La tripla elica è caratterizzata da una struttura che prevede che tutte le glicine siano disposte all'interno, non dando né interazioni né ingombro sterico. Inoltre, le glicine si trovano nei punti di contatto dei tre filamenti, consentendo loro di compattarsi. La stabilità della tripla elica è dovuta a processi come la modifica della prolina a formare idrossiprolina, rendendo più solubile il residuo e consentendogli di formare legami H. Anche i residui di lisina vengono modificati in idrossilisina, e la presenza di legami covalenti impedisce il disassemblamento della struttura.

Tuttavia, nella struttura finale del tropocollagene, questi residui che permettono la formazione di legami covalenti non sono presenti, infatti vengono rimossi ad opera di proteasi. Inoltre, sono presenti legami crociati che bloccano la tripla elica assieme ad altre triple eliche; questi legami crociati possono essere ponti ad idrogeno e legami covalenti.

Il tropocollagene, una volta formato completamente dopo la rimozione dei filamenti sporgenti, può interagire con altro tropocollagene organizzandosi in microfibrille, fibrille e fibre. Interagisce testa-coda con altri filamenti e anche con quelli ai lati. All'interno della struttura si formano legami ad H e legami covalenti, per aumentare la solubilità e quindi anche la formazione di legami ad idrogeno intervengono la prolil e la lisil idrossilasi, che richiedono cofattori come l'acido α chetoglutarico.

Inoltre, sulla lisina può intervenire anche la lisina ossidasi che catalizza deamminazione ossidativa, con sostituzione del gruppo amminico con un ossigeno, creando un gruppo carbonilico aldeidico molto reattivo, chiamato allisina. Questa può interagire con un gruppo aminico e formare una base di Schiff, oppure interagire con altre allisine nella condensazione aldolica, formando un doppio legame C=C e gruppo carbonilico legato ad uno C, che può reagire con altre molecole, come l’istidina, ma anche con altri tre amminoacidi e la 5 idrossilisina, formando una struttura di 4 amminoacidi chiamata desmosina.

Il pro α viene prodotto all'interno del RE rugoso, poi nel Golgi avviene l'interazione con altri due pro α. Altra proteina fibrosa è l’elastina, caratterizzata da legami trasversali che si formano tra residui di allisina e un residuo di lisina, formando la desmosina, con un anello aromatico al centro che funge da perno per possibili trazioni da diverse direzioni.

Un altro tipo di proteina fibrosa sono le α cheratine, in cui il polipeptide si stabilizza interagendo con altri polipeptidi, assemblandosi in protofibrille.

Introduzione al metabolismo

Il metabolismo è l'insieme delle reazioni chimiche catalizzate da enzimi che si realizzano all'interno di una cellula. È consentito da una serie di attività enzimatiche che cooperano in sequenza. Se abbiamo una molecola A, questa viene convertita in B perché A è substrato di un enzima; a sua volta, B può essere substrato di un altro enzima e viene convertito in C. Questo processo è definito via metabolica e le molecole che ne fanno parte vengono dette intermedi. Le vie metaboliche possono essere di vario tipo: lineari, ramificate o cicliche.

Catabolismo e anabolismo

Il catabolismo rappresenta la fase degradativa, mentre l’anabolismo quella di sintesi. Quindi, il catabolismo è l’insieme delle reazioni che, a partire da composti di partenza complessi, definiti nutrienti, porta alla formazione di molecole più semplici attraverso una serie di reazioni che comprendono delle reazioni ossidative e rilascio di energia. L’anabolismo è caratterizzato da reazioni che, a partire da molecole semplici, portano alla formazione di prodotti più complessi. L’energia rilasciata dalle reazioni cataboliche viene in parte immagazzinata portando alla formazione di ATP, che poi può essere utilizzato come fonte di energia per le reazioni anaboliche.

Ruoli di NAD e NADP⁺

Il NAD⁺ è un cofattore utilizzato principalmente dalle deidrogenasi nelle reazioni cataboliche nelle tappe ossidative; la reazione prevede l’eliminazione di due atomi di idrogeno dal substrato che vengono allontanati come ioni idruro, di cui uno viene posizionato sul NAD⁺ dando origine al NADH, mentre l’altro ione viene eliminato come protone. Il NAD⁺, nicotinammide adenina dinucleotide, viene utilizzato per le reazioni redox, e la parte reattiva è rappresentata dall’anello nicotinamidico, su cui presenta una carica positiva. Quando sul NAD⁺ viene trasferito lo ione idruro, perde la carica positiva e si forma il NADH, il NAD⁺ viene usato come agente ossidante per cui la reazione è una reazione di riduzione.

Il NADP⁺ è un cofattore utilizzato come riducente nelle reazioni di biosintesi. Se è presente ossigeno, il NADH trasferisce i suoi due elettroni all’ossigeno attraverso un sistema di trasporto di elettroni che avviene nel mitocondrio, contemporaneamente vi è anche un trasferimento di protoni che genera un gradiente protonico che fornirà l’energia necessaria per la fosforilazione dell’ADP, processo noto come fosforilazione ossidativa.

ATP e altri composti fosforilati

L’ATP è una molecola caratterizzata da legami fosforici ad alta energia. Sono presenti tre gruppi fosforici legati al carbonio in 5 del ribosio e i legami tra il P in gamma e quello beta e tra quello in beta e quello in alfa sono legami ad alta energia in quanto legami fosfoanidridici, con alto potenziale di trasferimento all’acqua. L’ATP non è l’unico composto fosforilato, infatti occupa un posto intermedio tra i composti ad alta energia, in quanto può accettare il fosforico da altri composti come il fosfoenolpiruvato.

Il fosfoenolpiruvato ha un potenziale di trasferimento del gruppo fosforico di ΔG=-14,8 kcal/mol e per formare ATP a partire da ADP e fosfato sono necessari 7,3, la reazione che ne deriva avrà un potenziale che è dato dalla somma dei due potenziali e sarà quindi negativo, di conseguenza il fosfoenolpiruvato può trasferire il proprio gruppo fosforico all’ADP.

Reazioni della glicolisi da glucosio a gliceraldeide 3 fosfato

La glicolisi è una via ubiquitaria attraverso la quale la cellula è in grado di generare ATP anche in assenza di ossigeno, definita fosforilazione a livello del substrato. Inizialmente vi è l’entrata del glucosio all’interno della cellula dove viene intrappolato grazie alla fosforilazione di esso, in seguito va incontro ad una serie di reazioni che lo portano alla produzione della gliceraldeide 3 fosfato. Questa via viene detta preparatoria, mentre la via seguente, detta di guadagno, porta alla produzione di piruvato e di ATP.

La prima reazione a cui va incontro è quella di fosforilazione che porta alla produzione di glucosio 6 P, catalizzata da un’esochinasi ed è irreversibile. L’esochinasi è una transferasi che utilizza come cofattore il magnesio in quanto scherma le cariche negative dei gruppi fosforici e facilita l’attacco nucleofilo al gruppo ossidrilico del carbonio in 6 del gruppo fosforico in gamma. L’enzima in assenza del substrato si presenta con una conformazione che prevede la presenza di due zone globulari che definiscono una sorta di fessura, in cui va a posizionarsi il glucosio e in seguito si chiude, portando all’esclusione delle molecole d’acqua che altrimenti competerebbero con il glucosio e porterebbe all’idrolisi dell’ATP.

Successivamente il glucosio viene isomerizzato ad opera della fosfoesosoisomerasi, con produzione di fruttosio 6 fosfato, ed è una reazione reversibile. La reazione successiva prevede l’utilizzo di un’altra molecola di ATP, ad opera della fosfofruttochinasi 1 che catalizza la fosforilazione a livello del carbonio in 1 del fruttosio con produzione di fruttosio 1,6 bisfosfato, anche in questo caso è previsto l’utilizzo del cofattore magnesio ed è irreversibile. In seguito, ad opera di un’aldolasi, che catalizza una reazione reversibile, il fruttosio viene scisso in due molecole a tre atomi di carbonio, la gliceraldeide 3 fosfato e il diidrossiacetonfosfato. Questi due triosi sono interconvertibili, per cui, ad opera di una triosofosfato isomerasi, il diidrossiacetone viene convertito in un’altra molecola di gliceraldeide 3 fosfato.

Meccanismo delle reazioni catalizzate dalla gliceraldeide 3P deidrogenasi

Si entra adesso nella fase di guadagno della via glicolitica, le due gliceraldeide 3P vanno incontro all’unica via di ossidazione, che porta alla formazione dell’acido corrispondente, reazione catalizzata dal G3P deidrogenasi con cofattore ossidante il NAD⁺ e prevede l’utilizzo di fosfato inorganico. Il fosfato viene legato all’acido con formazione di 1,3 bisfosfoglicerato, un composto ad alta energia perché costituito da un’anidride mista. Questa energia proviene dall’ossidazione dell’aldeide che porta alla formazione di un acido carbossilico, reazione altamente esoergonica, quindi parte dell’energia rilasciata viene utilizzata per fosforilare il gruppo carbossilico.

La deidrogenasi è in grado di catalizzare questo processo perché nel sito attivo è presente un NAD⁺ e un residuo di cisteina, che essendo legata ad un altro amminoacido, risulta essere differente da quella libera in soluzione, infatti la cisteina ha un pK intorno ad 8, per cui a pH fisiologico tenderebbe ad essere protonata, tuttavia la cisteina, siccome in questo caso deve fungere da nucleofilo, deve essere deprotonata e questo è possibile perché vicino è presente un residuo di istidina, il cui anello imidazolico può fungere da accettore di protoni (pK vicino al pH fisiologico). La cisteina, perso il protone, può esercitare l’attacco sul carbonile della gliceraldeide con formazione di un tioemiacetale, poi uno ione idruro viene trasferito sul NAD⁺ e due elettroni vanno a formare un doppio legame, quindi dal tioemiacetale si passa ad un tioestere e viene liberato NADH. Il legame tioesterico è ad alta energia e ciò permette l’attacco nucleofilo del fosfato inorganico sul carbonio. Il NADH viene di nuovo sostituito da NAD⁺ e si libera 1,3 bisfosfoglicerato, rigenerando il sito attivo dell’enzima.

Nella reazione successiva questo gruppo fosforico viene trasferito sull’ADP portando alla produzione di ATP, senza l’intervento di ossigeno, per cui viene detta fosforilazione a livello del substrato perché viene utilizzata l’energia del substrato. Nella reazione successiva si ha il trasferimento del gruppo fosforico dalla posizione 3 alla 2 con formazione di 2 fosfoglicerato, ad opera di una mutasi. Il 2 fosfoglicerato va incontro ad una deidratazione, con formazione di un doppio legame tra i carboni 2 e 3, reazione catalizzata da un’enolasi, con formazione dell’enolo fosfoenolpiruvato, questo è un altro composto ad alta energia che viene utilizzato per la fosforilazione dell’ADP, catalizzata da una chinasi ed è irreversibile.

Deviazione della via glicolitica

Da una deviazione della via glicolitica si ottiene il 2,3 bisfosfoglicerato, un effettore dell’emoglobina, che stabilizza la sua forma deossigenata, formando dei legami ionici con residui positivi presenti nelle due subunità β della proteina. Dall’1,3 bisfosfoglicerato si passa al 2,3 bisfosfoglicerato per effetto di una mutasi e poi da questo si ottiene il 3 fosfoglicerato per opera di una fosfatasi. Questa deviazione è importante perché permette di evitare la formazione dell’ATP, importante nell’eritrocita.

Fermentazione lattica e alcolica

Il destino del piruvato dipende dal fatto che sia o meno presente l’ossigeno. Se l’ossigeno è presente, il piruvato va incontro al metabolismo ossidativo, che porta alla formazione dell’acetil CoA, e poi di anidride e acqua con produzione di NADH. Quando l’ossigeno è assente oppure ci troviamo nel muscolo in attività, il piruvato va incontro al processo della fermentazione, che può essere di due tipi. Quella lattica prevede la conversione del piruvato in lattato e avviene nel muscolo in attività oppure negli eritrociti dove non è presente il mitocondrio, la reazione viene catalizzata dalla lattato deidrogenasi e come agente riducente viene usato il NADH e produzione di NAD⁺.

La fermentazione alcolica prevede la conversione del piruvato in etanolo e anidride carbonica, è catalizzata dalla piruvato decarbossilasi che porta alla produzione di acetaldeide, questa subisce un processo di riduzione ad etanolo catalizzato dalla alcol deidrogenasi, con conversione di NADH in NAD⁺. La fermentazione è importante perché consente la rigenerazione del NAD⁺ essenziale per la conversione dell’aldeide in 1,3 bisfosfoglicerato.

Alimentazione glicolisi con fruttosio e galattosio

Nella glicolisi possono entrare anche zuccheri differenti, sotto forma di disaccaridi, come saccarosio, galattosio e maltosio. Il saccarosio viene scisso, ad opera di una saccarasi, in fruttosio e glucosio. Il fruttosio ha un destino che dipende dall’organo in cui entra: se viene usato dalle cellule muscolari, l’esochinasi presente agisce sul fruttosio convertendolo in fruttosio 6P che poi può entrare nella via glicolitica. Se entra nel fegato, l’esochinasi presente, esochinasi 4, è specifica per il glucosio, per cui il fruttosio dovrà seguire una via alternativa. Infatti, è presente una fruttochinasi che fosforila il fruttosio in posizione 1, portando alla formazione del fruttosio 1 fosfato. Poi un’aldolasi lo scinde in diidrossiacetonfosfato e gliceraldeide, il primo viene convertito in G3P, mentre la gliceraldeide viene fosforilata ad opera di una trioso chinasi.

Il galattosio, epimero del glucosio, deve essere prima fosforilato in posizione 1, formando il galattosio 1P, poi questo reagisce con l’uridina difosfato glucosio o UDP glucosio, in una reazione catalizzata da galattosio 1P uridilil transferasi, che porta alla liberazione del glucosio 1 fosfato e al suo posto viene messo il galattosio 1P, che poi ad opera di una epimerasi si ha la conversione in UDP glucosio. Il glucosio 1 fosfato, ad opera di una mutasi, viene convertito in glucosio 6P che poi entra nella glicolisi.

Le reazioni della gluconeogenesi

La gluconeogenesi è la via che si contrappone alla glicolisi, in cui si ha sintesi di glucosio a partire da precursori che non siano carboidrati. Si realizza in gran parte nel fegato e in piccola misura nel rene. Molte delle reazioni sono in comune tra queste due vie, ad eccezione di quelle irreversibili. I precursori del glucosio che non sono carboidrati comprendono il glicerolo e alcuni amminoacidi, che poi vengono convertiti in intermedi del ciclo di Krebs e poi in ossalacetato.

Piruvato carbossilasi: ruolo della biotina

Dapprima si ha la conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato. Come prima reazione si ha la carbossilazione del piruvato a formare ossalacetato, una reazione ATP-dipendente catalizzata dalla piruvato carbossilasi, enzima all’interno del mitocondrio. La carbossilazione non avviene con la CO₂ ma con la forma che si trova in soluzione acquosa, ossia il bicarbonato. In questa reazione è coinvolta anche la biotina, una vitamina ossia un composto che l’organismo non può sintetizzare a partire da precursori semplici per cui va assimilata. Questa molecola è costituita da due anelli condensati e da una catena di acido valerianico e risulta essere legata con legame carbammidico ad un residuo di lisina dell’enzima, che prende così il nome di biocitina e ha la funzione di trasportatore di gruppi carbossilici.

Nel sito attivo della piruvato carbossilasi, dove si trova anche la biotina, si posizionano dapprima i due substrati bicarbonato e ATP che reagiscono con una reazione di attivazione della CO₂, in cui il gruppo P viene trasferito sul bicarbonato, formando un intermedio ad alta energia, il carbossifosfato, questo viene legato dall’azoto della biotina con formazione di carbossibiotina e liberazione di fosfato. A questo punto entra il piruvato che, essendo abbastanza acido, può perdere un protone e attaccare il gruppo carbossilico della carbossibiotina generando ossalacetato e rigenerando biotina.

La reazione successiva prevede la conversione dell’ossalacetato in fosfoenolpiruvato. Questa reazione...